神经退行性疾病发病机制研究进展

神经退行性疾病发病机制研究进展

薛小燕郭小华1李敏2罗焕敏3

(赣州市人民医院，江西赣州341000)

关键词〔〕神经退行性疾病；氧化应激；线粒体

中图分类号〔〕E830〔文献标识码〕A〔

基金项目：江西省赣州市指导性科技计划项目(No.GZ2014ZSF199)

通讯作者：罗焕敏(1960-)，男，教授，主要从事神经药理学研究。

1赣南医学院2江西省医药学校

3暨南大学医学院药理学系

第一作者：薛小燕(1986-)，女，硕士，主要从事药学研究。

神经退行性疾病是由神经元和(或)其髓鞘的丧失所致〔1，2〕,随着时间的推移而恶化，出现功能障碍。其可分为急性神经退行性疾病和慢性神经退行性疾病，前者主要包括脑缺血(CI)、脑损伤(BI)、癫痫； 后者包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病(HD)、肌萎缩性侧索硬化(ALS)、不同类型脊髓小脑共济失调(SCA)、Pick病等〔3，4〕。这类疾病的脑病理改变主要有两种表现形式：一种是由细胞凋亡引起的大量神经元丢失；另一种则是神经系统没有明显细胞胞体数量减少，但神经细胞出现结构和功能的进行性、退行性变性。随着对神经退行性疾病研究的不断深入，发现越来越多的因素与神经退行性疾病发生和发展有关。

1氧化应激

氧化应激是由于自由基过度产生和(或)得不到及时清除，体内氧化与抗氧化作用失衡所致，机体的细胞和组织被损伤。自由基是具有不成对电子的原子或基团，包括羟自由基(OH·)、超氧阴离子(O2-·)、一氧化氮(NO)等〔5〕。近年来氧化应激学说逐渐受到重视，在神经退行性疾病如AD、PD、ALS中均发现有神经组织的氧化损伤〔6，7〕。

在神经系统中，兴奋性氨基酸及神经递质的代谢是产生氧自由基的源泉〔8〕；同时，各种原因(如Aβ聚集、钙失衡等)能损伤线粒体，引起线粒体功能障碍，释放大量活性氧(ROS)。AD病理特征主要包括：脑神经细胞外出现β-淀粉样蛋白(Aβ)聚集形成的老年斑(SP)；脑神经细胞内Tau蛋白异常聚集形成的神经原纤维缠结(NFT)。由于游离的氧自由基所致的脑组织损伤有多方面的原因，首先脑血管内皮遭受氧化应激损伤，造成脑血管功能障碍〔9〕；其次氧自由基与Aβ蛋白结合，激活神经元与小胶质细胞上糖基化终末产物受体，造成细胞的过氧化损伤〔10〕，甚至凋亡〔11〕。此外，游离的自由基与金属离子相互作用，并以多种形式加剧脑组织损伤，如氧化态的Fe3+可以促进Tau蛋白的磷酸化和Tau蛋白的聚集〔12〕。

研究表明，由于抗氧化防御系统功能缺陷所致的自由基产生增加，在PD发病中起主要作用。例如谷胱甘肽(GSH)，是体内的一种重要的自由基清除剂，在PD病人黑质部位，GSH大量减少，且减少量与PD的严重程度呈正相关〔13～15〕。

2线粒体功能障碍

线粒体存在于真核生物的细胞质中，是含有核外遗传物质并具有双层膜结构的细胞器。它是细胞内生产能量的最基本单位，能够编码电子呼吸链上的主要酶类物质。线粒体内膜上的呼吸链酶组分通过参与氧化磷酸化过程，将碳水化合物、蛋白质和脂类的代谢产物转化成CO2和水，生成大量三磷酸腺苷(ATP)，为细胞提供能量〔16〕。

PD是最早发现与线粒体功能障碍有关的神经退行性疾病。研究显示，在PD患者黑质致密部、纹状体及血小板中，线粒体呼吸链复合体Ⅰ功能下降30%；在黑质致密部，线粒体呼吸链复合体Ⅳ及三羧酸循环限速酶-酮戊二酸脱氢酶系活性降低〔17〕。在母系遗传的家族性PD患者中，家系内女性患者子女的线粒体呼吸链复合体Ⅰ功能减弱，并伴有ROS增多和抗氧化酶活性增强。此外，在黑质致密部还发现脂质过氧化增强、GSH消耗减少及氧化应激增加〔18〕。

研究发现，AD患者脑内存在mtDNA缺陷和氧化磷酸化异常。聚合酶链式反应(PCR)及印迹杂交(Southernblot)检测发现，散发型AD患者脑组织出现mtDNA断裂、碱基缺失及错义突变。电镜观察证实线粒体数目增加，结构异常，出现层状体和晶状包涵体〔19，20〕。另外，AD患者神经元线粒体功能发生障碍后，将导致神经元能量供给不足同时释放大量ROS，诱发氧化应激损伤，钙调节失衡，最终触发神经元凋亡〔21，22〕。

3兴奋性毒素

谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统中最重要的兴奋性神经递质，主要在谷氨酸受体的介导下实现其在脑内的众多功能。谷氨酸受体被激活后除参与快速的兴奋性突触传递外，还可以调节神经递质的释放、突触的可塑性及突触长时程增强和长时程抑制等中枢神经系统正常的生理功能〔23〕。但是细胞间隙中谷氨酸浓度过高时会对神经元产生毒性，导致神经元的退化、衰老及死亡〔24〕。谷氨酸的这种兴奋性毒性作用与多种神经退行性疾病的发生、发展都有密切联系，是导致神经退行性疾病中神经细胞死亡的重要机制之一。

谷氨酸受体在神经退行性疾病中主要起两方面的作用，一是参与正常状态下的突触传递及在突触活动增强时由部分促代谢型谷氨酸受体发挥的神经保护作用；另一个就是主要由离子型谷氨酸受体介导的兴奋性毒性作用。兴奋性毒性是指过量兴奋性氨基酸(EAA)的神经毒性作用，涉及如下机制：一种是由N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体过度兴奋所介导，可在数小时至数日发生，以持续的Ca2+内流和神经细胞迟发性损伤为特征。由于大量Ca2+内流及Ca2+在线粒体内快速堆积，可导致线粒体功能丧失；还可增加一氧化氮合酶的活性，使NO合成增加导致神经细胞的毒性作用。在大多数病理情况下，NMDA受体过度兴奋介导的Ca2+内流引起的神经细胞的迟发型损伤在兴奋性毒性作用中占主导地位。另一种是由2-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPA)受体和KA受体过度兴奋所介导，可在数小时内发生，以Na+内流、Cl-和水被动内流和神经细胞急性渗透性肿胀为特征。此外，花生四烯酸代谢形成的二十烷酸和磷脂分解产生的血小板激活因子(PAF)可增强白细胞聚集和血管收缩，加重脑缺血，形成恶性循环，最终导致细胞死亡。

研究发现，在AD患者脑组织中谷氨酸能系统正常结构发生改变，谷氨酸转运体及谷氨酸重摄取的功能下降〔25〕。另外，β淀粉样前体蛋白和Tau蛋白可以抑制细胞外谷氨酸的摄入，这种抑制作用将导致细胞外谷氨酸水平增高，从而产生兴奋性毒性作用〔26〕。在PD患者和PD实验动物模型中发现，由背侧丘脑下核投射到黑质纹状体的谷氨酸能神经元大量增加，这些研究证实了多巴胺(DA)能神经元上谷氨酸受体的过度激活是诱发兴奋性毒性细胞死亡的原因之一。同时，谷氨酸摄取障碍亦加重了谷氨酸受体的过度激活〔27，28〕。

4免疫炎症

神经退行性疾病发病的炎症假说直到最近才提出。许多证据〔29〕都表明炎症在AD发病中占有重要的地位。固有免疫系统是在种系发育和进化过程中形成的天然免疫防御功能。与机体另一种特异性免疫应答相比，它能对各种有害物质进行迅速的反应，以保护机体。固有免疫系统本身的激活是一把双刃剑。有害物质(如聚集形式的Aβ)长期和不可控制的刺激，启动固有免疫系统，就会产生对大脑的损害作用。

大脑炎症的主要标志是神经胶质细胞，特别是小胶质细胞的活化。小胶质细胞介导的慢性炎症反应在神经退行性疾病发生、发展过程中起重要作用。各种原因激活小胶质细胞所释放的前炎症细胞因子和自由基等启动或放大神经元的损伤反应，而神经元的损伤反过来又激活小胶质细胞，形成一个恶性循环。AD患者脑内存在丰富的被激活的小胶质细胞，激活的小胶质细胞可产生补体蛋白、炎症因子及急性期反应物等神经毒性物质，从而激活免疫炎症反应，产生神经毒性〔30，31〕。临床研究发现，长期使用非甾体类抗炎药物，可以减轻AD的发病进程〔32〕。

在PD患者脑中，伴随着脑黑质致密部DA能神经元选择性丧失的是大量表达组织相容性白细胞抗原DR的小胶质细胞，这被认为是小胶质细胞激活的重要标志。在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)和6-羟多巴诱导的PD动物模型上也可观察到DA能神经元的丧失程度与该部位小胶质细胞的激活呈平行关系〔33〕。

5Ca2+失衡

Ca2+是脑神经元内重要的信号传导信使之一。通过细胞膜上电压依赖性和配体依赖性而内流的钙是突触前端释放神经递质和突触后神经元反应的重要信号。其在神经元的发育、轴突的生长、突触生成及各种代谢通道的调节中起重要作用。研究表明，Ca2+从细胞外进入细胞内导致钙平衡破坏是细胞死亡的中心环节，细胞Ca2+超载在PD、HD和ALS疾病中发挥重要作用〔34〕。例如，Ca2+拮抗剂尼莫地平可阻断MPTP在灵长类和小鼠上引起的PD的发展。MPTP神经毒性破坏Ca2+的稳态，而Ca2+作为凋亡的触发者，可能通过激活Ca2+依赖的核酸内切酶或通过其他效应，调控信号的传导〔35〕。AD患者脑中Na+/Ca2+交换较正常人明显提高，患者血清中Ca2+浓度降低，可以使甲状旁腺激素分泌增加，通过蛋白途径激活腺苷酸环化酶使细胞内环磷酸腺苷浓度升高，从而促进钙内流，诱导了脑细胞内Ca2+的增高，进而通过破坏线粒体功能等途径降低细胞能量代谢而发生痴呆。血Ca2+降低还可能影响细胞膜通透性和细胞间的相互作用，从而干扰神经细胞的生长发育，特别是影响自由基的代谢〔36〕。

6细胞凋亡

细胞凋亡涉及一系列基因的激活、调控及表达等作用。经典的细胞凋亡途径主要有以下两条〔37，38〕：死亡受体途径和线粒体途径。前者是通过死亡配体与相应的位于细胞表面的死亡受体相结合，死亡受体胞内段的死亡域会吸引衔接蛋白并募集Caspase-8前体，形成死亡诱导信号复合物，产生活化的“启动”Caspase，激活Caspase-3，Caspase-7等“效应”Caspase，从而诱导细胞凋亡。后者是凋亡刺激因素诱导线粒体释放细胞色素C(Cytc)、凋亡诱导因子等促凋亡多肽进入细胞质，介导下游效应Caspase的活化，诱导凋亡。在受体介导的某些凋亡途径也需要线粒体的参与。研究发现，AD患者神经元减少，认知功能降低，是由于细胞凋亡导致的，AD患者脑中细胞凋亡速率是正常对照组的50多倍〔39〕。Aβ在AD发生中起了关键作用，它可诱导细胞凋亡。目前用来研究PD发病凋亡机制的经典动物模型是MPTP制备的小鼠PD模型，MPTP的毒性代谢产物1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)被DA转运体摄取入DA能神经元，可导致DA能神经元凋亡，动物出现震颤、运动减少、步态不稳、肢体僵硬、竖尾、竖毛等与原发PD相似的症状〔40〕。

7其他

神经退行性疾病的发病还有衰老，基因调控异常，脑代谢障碍等机制。

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〔2013-09-03修回〕

(编辑安冉冉/杜娟)